CICLO HIDROLÓGICO

Transcripción

CICLO HIDROLÓGICO

Sociedad Geográfica de Lima
CICLO HIDROLÓGICO
Cartilla Técnica
“Contribuyendo al desarrollo de una Cultura del Agua y
la Gestión Integral de Recurso Hídrico”
LIMA - PERÚ
2011
CARTILLA TÉCNICA:
CICLO HIDROLÓGICO
Editado por : Sociedad Geográfica de Lima
Dirección
: Jr. Puno 450 - Lima
Editor
: Zaniel I. Novoa Goicochea
Coeditor
: Foro Peruano para el Agua - GWP Perú
Autor
: Dr. Juan Julio Ordoñez Gálvez
Edición
: Primera
Diseño
: Juan Julio Ordoñez Gálvez, Miriam Rocío Casaverde Riveros
ISBN: 978-9972-602-77-1
Hecho el depósito legal en la Biblioteca Nacional del Perú N° 2012-08841
Esta Carpeta s publicado con el apoyo de la Sociedad Geográfica de Lima
Foro Peruano para el Agua—GWP Perú
CONTENIDO
I.-
Introducción
II.- Objetivo
III.- Antecedentes
IV.- Materiales y métodos
4.1
Definiciones
4.2
Medición de las variables del Ciclo Hidrológico
V.- Cuestionario práctico
VI.- Bibliografía
Contribuyendo al desarrollo de una Cultura del Agua y la GIRH
5
Ciclo Hidrológico
El ciclo hidrológico, regulando y gestionando
las necesidades de cada ser vivo
I.-
INTRODUCCIÓN
Digamos que el ciclo hidrológico se basa en el permanente movimiento o
transferencia de las masas de agua, tanto de un punto del planeta a otro,
como entre sus diferentes estados (líquido, gaseoso y sólido). Está
animado por dos causas: La energía solar y la gravedad. La naturaleza ha
creado una especie de máquina insuperable, regulando y gestionando las
necesidades de cada uno de los seres vivos.
Ese circuito cerrado perfecto que es el ciclo hidrológico, ahora tiene fugas,
no funciona como es debido. A la naturaleza le ha salido un duro
competidor “EL HOMBRE”. Hasta ahora se había integrado en el sistema
con los demás seres vivos del planeta, pero de unos años a esta parte, ha
crecido y se ha hecho poderoso, tanto, como para competir con la Diosa
Naturaleza.
Hoy, todos los usuarios del agua estamos en la encrucijada: Escasez y
Deterioro de la calidad de las fuentes, lo cual es un círculo vicioso pues
todo lo que se descargue al entorno inexorablemente irá al subsuelo, a los
ríos o al océano.
En ese sentido, es necesario tener un conocimiento básico del ciclo
hidrológico, que determina el estado actual del recurso hídrico, así como la
presión por la demanda del mismo, teniendo en cuenta su distribución
espacial y temporal, que permita establecer lineamientos a seguir para su
protección, y que sirva de base a los usuarios del recurso y planificadores,
para considerar su uso y disponibilidad en proyectos actuales y futuros.
La GWP- Perú presenta este documento información básica referente al
ciclo hidrológico con el que se pretende que el lector se familiarice con la
terminología que se utiliza y visualice la importancia de cada uno de los
procesos que se realizan en él, además se explica las metodologías
utilizadas para el cálculo de cada uno de ellos..
***
6
II.-
OBJETIVO
Dar a conocer los aspectos los aspectos conceptuales y metodológicos
del Ciclo Hidrológico; así como la descripción de cada una de las
variables hidrometeorológicas y su medición .
III.-
ANTECEDENTES
El ciclo hidrológico, es un modelo conceptual que describe el
almacenamiento y movimiento del agua entre la Biosfera, Atmósfera,
Litosfera, Hidrosfera, lo que se denomina Sistema Climático (Figura 3.1).
Figura 3.1. El Sistema Climático
Fuente: Ordoñez, 2011
El agua en la Tierra, puede ser almacenada en cualquier uno de los reservorios siguientes: Atmósfera, Océanos, Lagos, Ríos, Suelos, Glaciares,
Campos de Nieve, y las Aguas Subterráneas.
El agua en nuestra atmosfera, se mueve desde un depósito o reservorio a
otro, a través de los diferentes procesos entre los cuales tenemos:
Evaporación, Condensación, Precipitación, Sedimentación, Escorrentía,
Infiltración, Sublimación, Transpiración, Fusión, y flujo de agua subterránea.
7
Los océanos, suministran la mayor parte del agua como producto de la
evaporación. De esta agua evaporada, sólo el 91% es devuelto a las
cuencas oceánicas por medio de la precipitación. El 9% restante se
transporta a las zonas continentales donde los factores climatológicos
inducen la formación de la precipitación.
El desequilibrio resultante entre la tasa de evaporación y precipitación, sobre
la tierra y el océano, se corrige por la escorrentía y el flujo de agua hacia los
océanos.
El suministro de agua del planeta está dominado por los océanos (Tabla
3.1). Aproximadamente el 97% de toda el agua en la Tierra está en los
océanos. El otro 3% se mantiene como el agua dulce en los glaciares y
capas de hielo, las aguas subterráneas, lagos, suelos, la atmósfera, y dentro
de la vida.
Tabla 3.1. Contenido de agua en la superficie de la tierra
Volúmen (cubic km x 1,000,000)
Porcentaje
Océanos
1370
97.25
Glaciares
29
2.05
Agua subterránea
9.5
0.68
Reservorios
Lagos
0.125
0.01
Suelos húmedo
0.065
0.005
Atmósfera
0.013
0.001
Ríos
0.0017
0.0001
Biosfera
0.0006
0.00004
Fuente: Pidwirny, 2006
El agua que transita continuamente entre los diferentes depósitos de la
atmósfera, genera un ciclo. Este ciclo, se produce a través de los procesos
de evaporación, condensación, precipitación, sedimentación, la escorrentía,
el flujo de la infiltración, la sublimación, la transpiración, la fusión y las aguas
subterráneas. En la Tabla 3.2, se describen los tiempos de residencia del
agua en los embalses principales. El promedio de agua se renueva en los
ríos una vez cada 16 días. El agua en la atmósfera está completamente
sustituida una vez cada 8 días.
Algunos de estos recursos (sobre todo las aguas subterráneas) están siendo
utilizados por los seres humanos a tasas que superan con creces sus
tiempos de renovación. Este tipo de uso de los recursos está haciendo este
tipo de agua efectivamente no renovables.
8
Tabla 3.2. Permanencia del agua en períodos de tiempo
Reservorio
Glaciares
Tiempo promedio
20 a 100 años
Cubierta de nieve
2 a 6 meses
Humedad del suelo
1 a 2 meses
Aguas subterránea superficial
Agua subterránea profunda
Lagos
Ríos
100 a 200 años
10,000 años
50 a 100 años
2 a 6 meses
Fuente: Pidwirny, 2006
IV.-
MATERIALES Y MÉTODOS
4.1
Definiciones
Dentro de los principales componentes que gobiernan el ciclo hidrológico
tenemos las siguientes:
Figura 4.1. Representación del Ciclo Hidrológico
Fuente: www.eoearth.org/article/Hydrologic_cycle, adaptado por Ordoñez, 2011
9

Ciclo Hidrológico
Es la sucesión de etapas que atraviesa el agua al pasar de la tierra a la
atmósfera y volver a la tierra: evaporación desde el suelo, mar o aguas
continentales, condensación de nubes, precipitación, acumulación en el
suelo o masas de agua y reevaporación (Figura 4.1).
El ciclo hidrológico involucra un proceso de transporte recirculatorio e
indefinido o permanente, este movimiento permanente del ciclo se debe
fundamentalmente a dos causas: la primera, el sol que proporciona la
energía para elevar el agua (evaporación); la segunda, la gravedad
terrestre, que hace que el agua condensada descienda (precipitación y
escurrimiento).
Chereque, 1989, se entiende como el conjunto de cambios que experimenta
el agua en la naturaleza, tanto en su estado (sólido, líquido y gaseoso) como
en su forma (superficial, sub-superficial, subterránea, etc.).

Sistema hidrológico
Guevara y Cartaya, 1991: los fenómenos hidrológicos son muy complejos,
por lo que nunca pueden ser totalmente conocidos. Sin embargo, a falta de
una concepción perfecta, se pueden representar de una manera simplificada
mediante el concepto de sistema.
Figura 4.2. Representación del sistema hidrológico.
Fuente: Estrela, 1992 .
10
Un sistema viene a ser un conjunto de partes diferenciadas que interactúan
como un todo. El ciclo hidrológico podría considerarse como un sistema,
cuyos componentes son: precipitación, evaporación, escorrentía, y las otras
fases del ciclo, tal como se muestra en la Figura 4.2.

Precipitación
Se denomina precipitación, a toda agua meteórica que cae en la superficie
de la tierra, tanto en forma líquida (llovizna, lluvia, etc.) y sólida
(nieve, granizo, etc.) y las precipitaciones ocultas (rocío, la helada
blanca, etc.). Ellas son provocadas por un cambio de la temperatura o de la
presión. La precipitación constituye la .única entrada principal al sistemas
hidrológico continental (Musy, 2001).
Para la formación de la precipitación se requiere la condensación del vapor
de agua atmosférico. La saturación es una condición esencial para
desbloquear la condensación. Los varios procesos termodinámicos son
convenientes para realizar la saturación de las partículas atmosféricas
inicialmente no saturadas y causar su condensación:




Saturación y condensación isobárica (a presión constante),
Saturación y condensación por presión adiabática,
Saturación y condensación por presión de vapor de agua,
Saturación por mezcla y turbulencia.
Existen diferentes tipos de precipitación: precipitación convectiva,
precipitación orográfica y precipitaciones frontales, tal como se puede
apreciar en la Figura 4.5.
Figura 5. Principales tipos de precipitación: convectiva, orográficas y frontales
Fuente: Musy, André, 2001.
11
Precipitación Convectiva. Resultan de una subida rápida de las
masas del aire en la atmósfera. Se asocian a los cúmulos y
cumulonimbus, desarrollo vertical significativo, y son generados así
por el proceso de Bergeron. La precipitación que resulta de este
proceso es generalmente tempestuosa, de corta duración (menos de
una hora), de intensidad fuerte y de poca extensión espacia.
Precipitación Orográfica. Como su nombre indica (del griego oros =
montaña), este tipo de precipitación se relaciona con la presencia de
una barrera topográfica. La característica de la precipitación orográfica
depende de la altitud, de la pendiente y de su orientación, pero también
de la distancia que separa el origen de la masa del aire caliente del
lugar del levantamiento. En general, presentan una intensidad y una
frecuencia regular.
Precipitación Frontal o del tipo ciclónico. Se asocian a las
superficies de contacto entre la temperatura de la masa de aire,
el gradiente térmico vertical, la humedad y de los diversos índices
del recorrido, que uno nombra Frentes. Los frentes fríos crean
precipitaciones cortas e intensas. Los Frentes calientes generan
precipitaciones de larga duración pero no muy intensas.

Evaporación
Se define como el proceso mediante el cual se convierte el agua líquida en
un estado gaseoso. La evaporación puede ocurrir solamente cuando el
agua está disponible. También se requiere que la humedad de la
atmósfera ser menor que la superficie de evaporación (a 100% de
humedad relativa no hay evaporación más) (Figura 4.6).
El proceso de evaporación
requiere grandes cantidades
de energía. Por ejemplo, la
evaporación de un gramo de
agua a una temperatura de
100 ° Celsius requiere 540
calorías de energía de calor
(600 calorías a 0 ° C).
Figura 4.6. Evaporación
Fuente: www.sitiosolar.com

Condensación
El cambio en el estado de la materia de vapor a líquido que se produce
con el enfriamiento. Normalmente se utiliza en meteorología cuando se
12
habla de la formación de agua líquida en vapor. Este proceso libera
energía de calor latente para el medio ambiente (Figura 4.7).
Figura 4.7. Condensación
Fuente: http://www.bancodeimagenesgratis.com/2010/08/gotas-de-rocio-sobre-las-hojas-verdes-7.html
http://elhocino-adra.blogspot.com/2012/03/calor-latente-una-de-fantasmas-fisicos.html

Transpiración
Es la evaporación a través de
las hojas. El proceso fisiológico
de alimentación de las plantas
se efectúa mediante el paso de
ciertas cantidades de agua,
portadoras de los alimentos,
por el interior de ellas y ese
tráfico solamente es posible
gracias a la transpiración.
(Figura 4.8).
Figura 4.8. Transpiración
Fuente: www.biogeodemagallanes

Intercepción
Es la parte de la precipitación que es interceptada por objetos
superficiales como la cubierta vegetal (Figura 4.9) o los tejados, en
general, parte de esta agua interceptada nunca alcanza al suelo porque se
adhiere y humedece estos objetos y se evapora.
13
Figura 4.9. Componentes que intervienen en la intercepción.
Fuente: Musy, André, 2001.

Escorrentía superficial
Es la porción de lluvia
que
no es
infiltrada,
interceptada o evaporada y
que fluye sobre las laderas.
En realidad la escorrentía
superficial, la infiltración y la
humedad del suelo son
interactivas entre sí, por tal
motivo se debe
tener
cuidado en seleccionar el
modelo
adecuado para
cada caso (Figura 4.10).
Figura 4.10. Escorrentía superficial
Fuente: www.mariagdc93.blogspot.c

Escorrentía subsuperficial
Es el agua que ha sido previamente infiltrada y no alcanza el
almacenamiento subterráneo o acuífero, por lo tanto debe ser considerada
como parte de la escorrentía.
14
4.2
Medición de las variables del ciclo hidrológico
La necesidad de cuantificar cada una de las variables que gobiernan el
Ciclo Hidrológico, nos plantea el reto de registrar su variabilidad en el
tiempo y espacio, para lo cual se recurren a equipos e instrumentos
(convencionales y automáticos) entre los cuales tenemos:
a)
Precipitación
Se ha desarrollado una variedad de instrumentos y técnicas para obtener
información de las diferentes fases de la precipitación. Los instrumentos
para medir la cantidad y la intensidad de la precipitación son los más
importantes.
Otros instrumentos, incluyen aparatos para medir el tamaño y la
distribución de las gotas de agua y para establecer el tiempo de comienzo
y fin de la precipitación.
Todas las formas de precipitación se miden sobre la base de una columna
vertical de agua que se acumularía sobre una superficie a nivel, si la
precipitación permaneciese en el lugar donde cae. En el sistema métrico, la
precipitación se mide en milímetros y decimos de milímetro (Figura 4.11).
Figura 4.11. Pluviómetro
Fuente: www.mitecnologico.com
15

Medidores de precipitación
Dentro de los instrumentos utilizados para registrar la precipitación,
se tienen los de observación directa, registradores (pueden ser de
diferentes tipos), acumuladores y los automáticos cuya función
es registrar en forma continua las actividades pluviométricas y su
transmisión directa a la zona de interés para los análisis
correspondientes.
 Pluviómetros
Es un recipiente abierto, cuyos lados sean verticales, puede
utilizarse para medir la lluvia; sin embargo, debido a los
efectos del viento y el salpicado, las mediciones no son
comparables a menos que sean del mismo tamaño y forma, y
estén expuestos de un modo similar. El pluviómetro estándar
del U.S. National Weather Service tiene un colector con un
diámetro de 20 cm (8 in) (Figura 4.11).
Las características más importantes respecto a su instalación
son: que la boca del pluviómetro se encuentra a 1.50 m del
suelo, que va sujeto por un soporte lateral a un poste cuyo
extremo superior está cortado en bisel y que es fácilmente
desmontable del soporte para hacer la lectura.
 Pluviógrafos
Son los instrumentos destinados a medir la distribución de la
lluvia en el tiempo en un determinado lugar. Con ellos
se conoce la cantidad de lluvia a través del tiempo y también
su intensidad.
De las cinco clases o tipos, los más utilizados son: a) de
flotador sin sifón automático, b) de flotador con sifón
automático, c) de balanza y d) de oscilación (Figura 4.12).
Pluviógrafo de cubeta basculante: El agua que cae en el
colector se dirige a un compartimiento en donde hay dos
cubetas: cuando cae 0,1 mm de lluvia se llena una de las
cubetas produciéndose un desequilibrio que hace que la
cubeta se voltee, vertiendo su contenido en una vasija y
moviendo
el
segundo
compartimiento
al
lugar
correspondiente. Cuando la cubeta se voltea actúa un
circuito eléctrico, haciendo que una pluma produzca una
marca sobre un papel colocado en un tambor giratorio. Este
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tipo de medidor no es adecuado para medir nieve sin
calentar el colector.
Pluviógrafo de balanza: Pesa el agua o la nieve que cae en
una cubeta situada sobre una plataforma con resorte o bascula.
El aumento en peso se registra en una carta. El registro
muestra valores acumulados de precipitación.
Figura 4.12. Tipos pluviógrafos.
Fuente: www.mitecnologico.com (adaptado por Ordoñez, 2011).

Estación automática
Una estación meteorológica electrónica, es un aparato para la
medición de fenómenos meteorológicos. Se trata de una combinación
de distintos aparatos de medición. Permite realizar observaciones
sobre el clima y la meteorología. Los datos registrados aparecen en
una pantalla.
La precipitación se registra mediante un sensor automático,
conformado por un pluviómetro que es conectado eléctricamente a un
17
Logger (Figura 4.13).
Figura 4.13. Estación pluviométrica automática
Fuente: www.ucla.edu.ve (Adaptador por Ordoñez, 2011)
b)
Temperatura
Es el grado relativo de calor o frío que tiene un cuerpo, causando diferentes
efectos como respuesta a la variabilidad térmica presentada.







Aumento de las dimensiones (Dilatación).
Aumento de presión o volumen constante.
Aumento de la resistencia.
Aumento en radiación superficial.
Cambio de temperatura.
Cambio de estado sólido a líquido.
Cambio de calor
Observando cada una de las propiedades en los materiales podemos medir
la temperatura observando los efectos de los cuerpos.
Todos los instrumentos de medición de temperatura, cualquiera que fuese
su naturaleza dan la misma lectura en cero por ciento (0%) y 100%, si se
calibra adecuadamente, pero en otros puntos generalmente la lectura no
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corresponderá porque las propiedades de expansión de los líquidos varían,
en este caso se hace una elección arbitraria y, para muchos fines será
totalmente satisfactoria.
Las unidades de temperatura son °C, °F, °K, °Rankine, °Reamur, la
conversión más común es de °C a °F.
T(°C) = T(°F) - 32/1,8
°F=1,8 * T°C + 32
(I)
Los elementos primarios de medición y temperatura, son transductores que
convierten la energía térmica en otra o en un movimiento. La diferencia entre
el calor y temperatura, es que el calor es una forma de energía y la
temperatura es el nivel o valor de esa energía.
Se han dividido los elementos primarios de medición de temperatura en 3
tipos:

Termómetros
Transductores que convierten la temperatura en movimiento.

Sistemas termales
Transductores que convierten la temperatura en presión (y
después en movimiento).

Termoeléctricos
Transductores que convierten la temperatura en energía eléctrica
(y mediante un circuito en movimiento).
Que a continuación se detallan:

Termómetro
Fue inventado en el año 1592 por Galileo Galilei. Son instrumentos
que se utilizan para medir la temperatura de los cuerpos, su
funcionamiento se basa en la propiedad que tienen algunas
sustancias de variar su volumen con la temperatura, pueden usarse
en ellos sustancias sólidas, liquidas o gaseosas como termométricas,
con la única exigencia que la variación de volumen sea en el mismo
sentido de la temperatura.

Termómetro de vidrio o de líquidos
Este tipo de termómetros, hechos con vidrio sellado, muestra
la temperatura por medio del nivel al que llega el mercurio o
19
alcohol en una escala graduada. Estos líquidos se dilatan y contraen debido a los
cambios de
temperatura.
Generalmente, la escala de
medición que usa es Celsius,
aunque también se puede
expresar
en
grados
Fahrenheit.
Actualmente
estos termómetros contienen
alcohol coloreado debido al
peligro que significa el contacto con el mercurio.

Pirómetros o termómetros sin contacto
Estos miden la temperatura a
partir de la radiación de calor
emanada por los objetos.
Estos termómetros permiten
utilizarse si tener que tocar
los objetos, lo que permite
medirlos cuando están en
movimiento o alejados, así
como también cuando sus
temperaturas
son
muy
elevadas.

Termómetros con lámina bimetálica
Como su nombre indica, están compuestos por dos láminas
de metálicas cuyos coeficientes de dilatación son diferentes.
Cuando se produce un cambio
de temperatura, una de las
láminas se curva primero y este
movimiento se traduce en una
aguja
que
señala
la
temperatura.
En
meteorología,
las
temperaturas que mayormente
se miden son las siguientes:
20
Temperatura del aire o ambiente.- es la temperatura del aire.
Punto de rocío (Temperatura de punto de rocío).- es la
temperatura a la cual el aire alcanza la saturación, es decir se
condensa. Esta temperatura es medida por medio del
Psicrómetro, que consiste en un termómetro de bulbo seco y
bulbo húmedo, que se utiliza para medir el contenido de vapor
de agua en el aire.
Temperatura Máxima.- es la mayor temperatura registrada en
un día, y que se presenta entre las 14:00 y las 16:00 horas.
Temperatura Mínima.- es la menor temperatura registrada en
un día, y se puede observar en entre las 06:00 y las 08:00
horas.
Para registrar estas temperaturas, se utiliza una caseta
meteorológica (Figura 4.14) que contiene los instrumentos
necesarios para hacer las mediciones de los parámetros
básicos para un registro meteorológico de superficie. Es de
madera con tejado de zinc, con la puerta de doble persiana que
favorece la ventilación interior e impide que la radiación solar
afecte a los instrumentos colocados en su interior. Debe de
estar pintada de blanco.
Para ubicar la caseta correctamente se seguirán los siguientes
criterios:




La caseta debe situarse a 1 m y 20 cm
aproximadamente del suelo y estar fija a éste.
La puerta de acceso a los instrumentos de la caseta,
debe estar orientada hacia el norte.
La caseta ha de instalarse en un lugar abierto, para
evitar errores en la toma de datos meteorológicos,
como la velocidad y dirección del viento.
Debe evitarse que esté protegida por edificios u otros
obstáculos y también evitar que los edificios cercanos
proyecten sombra en algún tramo del día sobre la
caseta.
21
Figura 4.14. Estación convencional y automática
Fuente: geohistoriatader.blogspot.com
c)
Evaporación
Por efecto de la radiación solar y la fricción de entre el flujo del viento y la
superficie del agua, se genera la evaporación desde las superficies libres
de agua, para lo cual se utiliza los evaporímetros, también conocidos
como atmómetros o atmidómetros. Son de 4 tipos:

Tanques de evaporación
Tienen como principio común la medida del agua perdida por
evaporación de un depósito de regulares dimensiones. Los
distintos
modelos
se
diferencian entre sí en tamaño, forma y ubicación en
el terreno. Están concebidos para medir la evaporación en embalses o grandes lagos y en general
se sitúan
próximos
a
ellos.
Generalmente con
ellos se obtienen medidas
superiores a la evaporación
real por lo que precisan de
correctores que dependen
del modelo (Figura 4.15).
Figura 4.15. Tanque de evaporación
22
En los tipos de tanques tenemos los siguientes:

Tanque clase A: Usado por el U.S. Weather Bureau.
Depósito cilíndrico de chapa galvanizada con un diámetro de
120 cm y 25,4 cm de altura, instalado sobre un enrejado de
madera, a unos 15 cm del suelo (Figura 4.16). El agua,
previamente medida, debe mantenerse en días sucesivos
entre dos señales a 20 y 17,5 cm del fondo del recipiente. La
medición se realiza apoyando en un tubo de nivelación un
tornillo micrométrico que tiene un extremo un gancho cuya
punta se enrasa con el nivel del agua.
El
coeficiente
de
reducción aconsejado
para
pasar de las
medidas del estanque a
la evaporación real
anual es 0,7, variando
a nivel mensualmente
este valor entre 0,6-0,8
(para algunas regiones
de EEUU).
Figura 4.16. Tanque clase A.

Evaporímetros de balanza
Es un pequeño depósito de 250 cm2 de sección y 35 mm de
profundidad, lleno de agua e instalado sobre una balanza de
tipo pesa-cartas, en la que se hacen lecturas sucesivas para
medir la pérdida de peso. La pequeña dimensión del depósito
hace que sus paredes influyan demasiado en la evaporación.
Como ventaja principal tiene el hecho de que se puede usar
como evaporígrafo, que permite llevar un registro continuo de
la variación de la evaporación, si se le adaptan los
adecuados elementos registradores.

Porcelanas porosas
Presentan al aire una esfera (Livingston) o un disco (Bellani)
de porcelana porosa, en contacto con un depósito de agua
que las alimenta ayudado por la presión atmosférica. Se
utilizan fundamentalmente como aparatos de investigación,
23
empleándose frecuentemente en estudios de transpiración.

Superficies de papel húmedo
Juegan un papel similar a las porcelanas porosas. El modelo
más usado es el evaporímetro de Piché (Figura 4.17) que se
basa en la idea de humedecer permanentemente un papel
expuesto al aire. El
depósito humedecedor
es un tubo graduado,
que se coloca invertido
con la boca libre hacia
abajo. Esta se tapa con
un papel secante sujeto
por medio de una
arandela metálica. La
evaporación produce el
secado del papel y una
succión de agua del
depósito. Se medie el
descenso de agua en el
tubo.
Figura 4.17. Evaporímetro de Piché
Normalmente, el evaporímetro Piché se coloca en el interior de
la garita meteorológica. Algunas correlaciones entre
medidas en un evaporímetro Piché y en un estanque flotante,
obligan a multiplicar las medidas Piché por 0,8 para igualar las
del estanque. Otros autores dan valores entre 0,45 y 0,60
para el mismo coeficiente. Realmente, este tipo de evaporímetro da grandes errores.

Medida de la evaporación desde suelos sin vegetación
Estanques lisimétricos y lisímetros
Parcelas experimentales
Ambos tipos se utilizan también para medir evapotranspiración
cuando el suelo esté cubierto por vegetación.
d)
Transpiración
Transpiración es la perdida de agua por las plantas, generalmente en
forma de vapor, y contribuye a facilitar la absorción de agua y mantiene
continua la columna hídrica, en caso de que se trate de salida de vapor por
los estomas.
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Además de por los estomas la perdida de vapor de agua puede ocurrir a
través de las lenticelas, que están en el tallo; y la cutícula, pero la perdida de
vapor de agua es muy baja, porque la cutícula es impermeable, y debido a
su complejidad, que puede variar, por lo tanto cuanto menos compleja es
mas vapor de agua se puede perder. Por lo tanto la pérdida masiva de vapor
de agua es a través de las estomas.
Hay diferentes métodos:

Potómetro
La forma más antigua de
medición, hay un recipiente
anexo milimetrado con una
burbuja
dentro que está
conectado a al depósito de
agua donde está la planta,
con la burbuja se cuantifica
el volumen de agua que la
planta evapotranspira.
Figura 4.18. Potómetro

Lisímetro
Se utilizan en agricultura,
es una báscula sobre la
cual está situada un área
experimental. El cambio de
peso que se realice por
pérdida de agua en forma
de vapor, lo cuantifica la
báscula en forma de agua
perdida.
Otra forma de cuantificar la
transpiración es mediante
un lisímetro asociado a una
cámara cerrada donde se
valora la diferencia de
humedad relativa.
Figura 4.19. Lisímetro
Fuente: www.wiquipedia.org
25
e)
Infiltración
Para medir la infiltración de un suelo se usan los infiltrómetros, que sirven
para determinar la capacidad de infiltración en pequeñas áreas cerradas,
aplicando artificialmente agua al suelo.
Los infiltrómetros se usan con frecuencia en pequeñas cuencas o en áreas
pequeñas o experimentales dentro de cuencas grandes. Cuando en el
área se presenta gran variación en el suelo y vegetación, ésta se subdivide
en subáreas relativamente uniformes, de las cuales haciendo una serie de
pruebas se puede obtener información aceptable.
Siendo la infiltración un proceso complejo, es posible inferir con los
infiltrómetros la capacidad de infiltración de cualquier cuenca en forma
cualitativa, pero no cuantitativa. La aplicación más favorable de este
equipo se obtiene en zonas experimentales, donde se puede evaluar la
infiltración para diferentes tipos de suelo y contenido de humedad.
Los infiltrómetros se pueden dividir en dos grupos: de carga constante y
simuladores de lluvia.

Infiltrómetros de carga constante
Permiten conocer la cantidad de agua que penetra en el suelo en un
área cerrada a partir del agua que debe agregarse a dicha área para
mantener un tirante constante, que generalmente es de medio
centímetro.
Los infiltrómetros de carga constante (Figura 4.20) más comunes
consisten en dos aros concéntricos, o bien en un solo tubo; en el
primer tipo, se usan dos aros concéntricos de 23 y 92 cm de
diámetro respectivamente, los cuales se hincan en el suelo varios
centímetros.
El agua se introduce en ambos compartimentos, los cuales deben
conservar el mismo tirante. El objeto del aro exterior es evitar que el
agua dentro del aro interior se expanda en una zona de penetración
mayor que el área correspondiente; la capacidad de infiltración del
suelo se determina a partir de la cantidad de agua que hay que
agregar al aro interior para mantener su tirante constante.
La limitación más seria para el uso de cilindros infiltrómetros es que
su emplazamiento en el suelo provoca un cierto grado de alteración
de sus condiciones naturales (destrucción de la estructura o
compactación produciendo cierta variación en la cantidad de agua
26
que penetra en el suelo. Además, la interfase entre el suelo y el lado
del cilindro metálico puede causar una entrada anormal de agua,
resultando un mayor volumen de agua que se infiltra en un tiempo
dado.
2 – 5 cm
Anillo Pintado
(por la superficie interna)
20 - 40 mm
9 cm
2,5 cm
Bajo tierra
15 – 25 cm
Figura 4.20. Infiltrometro de carga constante
Fuente: informes-unt.hostoi.com (adaptado por Ordoñez, 2011)
Otra de las limitaciones que presenta el uso de cilindros es el
problema del aire atrapado al interior de la columna de suelo. La
27
incapacidad del aire para escapar desde el suelo bajo condiciones
de flujo saturado, generalmente crea un cojín interno de aire que
resulta en un impedimento para el movimiento vertical del agua,
resultando velocidades de infiltración menores.

Simuladores de lluvia
Con el objeto de evitar en lo posible las fallas de los infiltrómetros de
carga constante, se usan los infiltrómetros que simulan la lluvia,
aplicando el agua en forma constante al suelo mediante regaderas
(Figura 4.21).
Figura 4.21. Simuladores de lluvia
Fuente: www.cazalac.org/sim_lluv.php
28
El área que estos simuladores cubre varía generalmente entre 0.1 y
40 m2. En estos aparatos la capacidad de infiltración se deduce
midiendo el escurrimiento superficial resultante de una lluvia uniforme.
Existen diversos tipos de infiltrómetros de esta clase, dependiendo del
sistema generador de lluvia y la forma de recoger el escurrimiento
superficial del área en estudio.
f)
Escurrimiento superficial
La expresión escurrimiento superficial suele referirse al volumen de las
precipitaciones que caen sobre una cuenca, menos la retención superficial y
la infiltración. El escurrimiento superficial o directo es función de la
intensidad de la precipitación y de la permeabilidad de la superficie del
suelo, de la duración de la precipitación, del tipo de vegetación, de la
extensión de la cuenca hidrográfica considerada, de la profundidad del nivel
freático y de la pendiente de la superficie del suelo.
La aportación de una cuenca se representa comúnmente en una gráfica
llamada "hidrograma", que consiste en una curva que representa las
oscilaciones, respecto el tiempo, del nivel del agua de un río en una sección
dada del mismo. En el caso de un río con un tiempo de descarga muy largo,
los caudales que por él circulan al cabo de un tiempo, son el resultado de la
acumulación del escurrimiento superficial con la aportación subterránea.

Aforo
Para determinar el volumen que escurre por una cuenca, se deben
aforar o medir las corrientes. Los aforos se realizan en estaciones
hidrométricas (en puentes de aforo y usando molinete) o se puede
medir la corriente de cualquier río de manera individual. Estos aforos
se hacen a través de cierto intervalo de tiempo (horas, días, etc), con
cuyos datos se construyen gráficas de gasto (m 3/s) contra tiempo (h),
llamadas hidrogramas.
En Perú se usan básicamente tres tipos de métodos para aforar corrientes, a saber:

Sección de control
Una sección de control de una corriente se define como aquélla
en la que existe una relación entre el tirante y el gasto. Consiste
de una obra hidráulica o vertedor construido especialmente
para aforar una corriente (Figura 4.22). Este método es el más
preciso de todos para el aforo, pero es relativamente costoso y
29
en general, sólo se puede usar cuando los gastos no son muy
altos. En el caso de estrechamientos en el cauce, deberá
restringirse el transporte de objetos arrastrados por la
corriente ya
que
la sección puede obstruirse. Un
inconveniente de los vertedores es que generan un remanso
aguas arriba de la sección. Por ello, este método es
adecuado en ríos pequeños, cauces artificiales (como
canales de riego) o cuencas experimentales.

Relación sección-pendiente
Este método se utiliza para estimar el gasto máximo que se
presenta durante una avenida reciente en un río donde no se
cuenta con ningún otro tipo de aforo. Para su aplicación se
requiere solamente contar con la topografía de un tramo del
cauce y las marcas del nivel máximo del agua durante el paso
de la avenida (obtenidas con estadal o de escalas dibujadas
en las orillas del canal).
Figura 4.22. Vertederos: a) Rectangular b) Triangular y c) Trapezoidal
Fuente: ocwus.us.es
30

Relación sección-velocidad
Este es el método más usado para aforar corrientes. Consiste
básicamente en medir la velocidad en varios puntos de la
sección transversal y después calcular el gasto por medio de la
ecuación de continuidad Q = v A (A = área hidráulica). Dentro
de este método, existen varias maneras para obtener la
velocidad del agua:

Flotador
Se escoge un tramo recto del río, libre de vegetación o
cualquier otro obstáculo que pueda interrumpir el flujo. Se
coloca un objeto que flote sobre el agua, a la mitad del
tramo (Figura 4.23). Se mide el tiempo (s) que tarda en
recorrer una distancia determinada (m). La velocidad (m/
s) estará dada por el cociente entre distancia y tiempo.
Este método aunque barato y fácil de usar, es inexacto
porque se está midiendo la velocidad en la superficie de
la corriente y de acuerdo a la parábola de velocidades del
agua, ésta es la más grande y no corresponde a la
velocidad media del río o canal.
Figura 4.23. Aforo con flotadores
Fuente: http://www.fronate.pro.ec/fronate/wp-content/media/manual-de-laboratorio-de-hidrologia.pdf
31

Molinete
Este método es más exacto para medir la velocidad
media de un río. Consiste en introducir un aparato
especialmente diseñado, que se llama molinete (Ver
Figura 4.24 y 4.25), el cual tiene una hélice o rueda de
aspas o copas que gira impulsada por la corriente y
mediante un mecanismo eléctrico, transmite por un
cable el número de revoluciones por minuto o por
segundo con que gira la hélice. Esta velocidad angular
se traduce después a velocidad del agua usando una
fórmula de calibración que previamente se determina
para cada aparato en particular.
Para obtener la velocidad media de un río o canal
utilizando el molinete, se
escoge una sección
transversal al flujo, la cual se divide en secciones o
tramos iguales (m). Se introduce el molinete en cada
tramo, a los 6/10 de la profundidad media del tramo,
que de acuerdo a la parábola de velocidades, es donde
se ubica la velocidad media (m/s). Se obtiene la
velocidad en cada sección. Es necesario también,
conocer el área de cada tramo o sección, por lo que se
introduce un estadal en el punto medio de cada
sección, obteniéndose la profundidad media (m). Esta
se multiplica por el ancho de cada sección (m), dando
el área (m2) del rectángulo o tramo. Finalmente, se
obtiene el producto de la velocidad (m/s) por el área
(m2) dando el gasto (m3/s) de cada sección. La
velocidad media se obtiene del cociente entre la
sumatoria de todos los gastos y las áreas unitarias de
cada sección.
a)
b)
Figura 4.24. Equipos de aforo
a) Molinete para aforo por vadeo. b) Molinete para aforo por suspensión.
Fuente: Adaptado por Ordoñez, 2011.
32
a)
Elementos del aforo
a Carro huaro
b Sección transversal
c Cable carril
d Caseta limnigráfica
e Regla limnimétrica
Elementos del aforo
f Anclaje del cables
g Correntómetro
h Margen izquierda
i Profundidad del río
j Torre para el cable
b)
Figura 4.25. a) Estación de aforo.
b) Sección de aforo.
En la Figuras 4.26 y 4.27, se muestra dos de los tipos
de aforo que se desarrollan en el Perú, uno con
molinete tradicional y el otro con Acoustic Doppler
Current Profiler -ADCP, para ríos Amazónicos.
33
Figura 4.26. Batimetría y aforo con molinete.
34
Figura 4.27. Aforo con ADCP.
35

Trazador químico o radioactivo
Este es un método indirecto para obtener la velocidad de
una corriente y utiliza trazadores radioactivos
(fluoricerinas) o químicos (sales de sodio, cromo o
potasio). El procedimiento consiste en soltar una cantidad
conocida de partículas fluorescentes, radiactivas, etc., al
inicio de una sección recta del río previamente
seleccionada, para medir el tiempo que tarda en llegar al
final de dicha sección. Esto se puede hacer visualmente,
con contadores de radioactividad, salinidad o cualquier
otro aparato, dependiendo del tipo de partículas usadas.
Este y otros métodos aún se encuentran en la etapa de
experimentación y su uso todavía está limitado en la
práctica (Figura 4.28).
Figura 4.28. Aforo con trazadores químicos
Fuente: www.cuevadelcivil.com/2011/02, Adaptado por Ordoñez, 2011.
36
La fórmula usada en el tramo de un río es:
Q = [ ( K - K' ) / K' ] q
Donde:
Q = gasto del río (m3/s)
q = gasto de la solución que se inyecta (m3/s)
K = concentración de la solución inyectada
K' = concentración de la solución observada al final del
tramo del río.
Figura 4.29. Aforo con trazadores químicos
Fuente: www.cuevadelcivil.com/2011/02, Adaptado por Ordoñez, 2011.
37
V.- CUESTIONARIO PRÁCTICO
¿Qué es el ciclo hidrológico?
a) Un modelo conceptual que describe el movimiento del agua
b) Sucesión de etapas que atraviesa el agua
c) Conjunto de procesos que circulan el agua en forma permanente
d) Proceso por el cual el agua cambio de un estado a otro
e) N/A
¿Indique los componentes del ciclo hidrológico?
a) Precipitación, evaporación y escurrimiento
b) Evaporación, precipitación y escurrimiento
c) Evaporación, condensación, precipitación, escurrimiento e infiltración
d) Evaporación, precipitación, acumulación y escurrimiento
e) N/A
¿Es el ciclo hidrológico un ciclo perfecto?
a) Si
b) No
c) Solo si es natural
d) Puede ser
e) N/A
¿Qué es la precipitación y como se mide?
a) El agua se transforma de vapor a líquido, se mide con el pluviógrafo.
b) El agua meteórica cae a la superficie terrestre, se mide con el pluviómetro
c) El agua cae y es absorbida por el suelo, se mide con el infiltrómetro
d) El agua se calienta y transforma en vapor, se mide por evaporímetro
e) N/A
¿Cuáles son los tipos de precipitación?
a) Lluvia, granizo y nieve
b) Convectiva, orográfica y frontal
c) Cúmulus, nimbus y cirrus
d) Líquida, sólida y gaseosa
e) N/A
¿Cuándo el sol calienta el agua de los ríos y mares se produce ...?
a) Precipitación
b) Evaporación
c) Condensación
d) Transpiración
e) Infiltración
38
¿En que consiste la transpiración?
a) Es cuando el agua pasa de líquido a vapor
b) Es cuando el agua pasa de vapor a líquido
c) Es la evaporación través de las hojas de las plantas
d) Es la perdida de agua de los cuerpos líquidos
e) N/A
¿Qué es infiltración y que métodos conoce para su determinación?
a) Cantidad de agua que recarga los acuíferos, se mide por infiltrómetros
b) Cantidad de agua que cae a la superficie terrestre, se mide con pluviometros
c) Cantidad de agua que se convierte en vapor, se mide por evaporímetro
d) Cantidad de agua que circula por una corriente, se mide con molinete
e) N/A
¿A que se denomina escorrentía (o escurrimiento)?
a) Determinación del volumen de agua en una corriente o flujo de agua
b) Proceso donde se acumulan las aguas que precipitan en el terreno
c) Deslizamiento del agua infiltrada en el subsuelo
d) Porción de lluvia que no es infiltrada, interceptada o evaporada y fluye
sobre la superficie del terreno.
e) N/A
¿Qué es un hidrograma?
a) Gráfica que representa la oscilación del nivel del agua en el tiempo
b) Gráfica que representa el agua precipitada en un lugar o región
c) Gráfico que representa la variación en el tiempo de alguna información
hidrológica tal como: nivel de agua, caudal, etc
d) Gráfica que representa la variabilidad del agua
e) N/A
¿A que determinamos aforo?
a) Proceso para determinar el nivel de un río
b) Proceso para determinar el volumen que escurre por una cuenca
c) Proceso para determinar el volumen que escurre por una corriente o río
d) Proceso para medir el volumen de un río
e) N/A
¿Instrumento para determinar la velocidad media de un río?
a) Pluviógrafo
b) Velocímetro
c) Limnígrafo
d) Molinete
e) N/A
39
V.- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Arreola Muñoz, A. (s/f) El Manejo integral de cuencas: limitaciones de una
política sectorial para la gestión territorial del agua. Instituto para el
Desarrollo Sustentable en Mesoamérica, A.C. (IDESMAC).
Chereque, M. OW, V., 1989. Hidrología para estudiantes de ingeniería
civil Pontificia Universidad Católica del Perú, obra auspiciada por
CONCYTEC. Lima, Perú, 223 pp.
Eoarth, 2012. El Ciclo Hidrológico
www.eoearth.org/article/Hydrologic_cycle
Estrela, T., 1992. Metodología y Recomendaciones para la Evaluación
de Recursos Hídricos. Centro de Estudios Hidrográficos.- Madrid:
Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas, Gabinete de Formación y Documentación, Madrid, España. 52 p.
Guevara, E. y Cartaya, H. 1991. HIDROLOGIA. Una introducción a la
Ciencia Hidrológica Aplicada. GUECA EDICIONES. Valencia, Venezuela, 358 p.
Llerena, C. A. 2003. Servicios ambientales de las cuencas y producción de
agua, conceptos, valoración, experiencias y sus posibilidades de
aplicación en el Perú. FAO Presentado en el Foro Regional sobre
Sistemas de Pago por Servicios Ambientales (PSA), Arequipa,
Perú, 9-12 junio 2003, durante el Tercer Congreso Latinoamericano de Manejo de Cuencas Hidrográficas.
Musy, A. 2001. Cours "Hydrologie générale". Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. IATE/HYDRAM. Laboratoire d´Hydrologie et
Aménagement. Capitulo 1, 2, 3, 4 y 5.
Pidwirny, M. (2006). "The Hydrologic Cycle". Fundamentals of Physical
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2nd
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Date
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Pladeyra 2003. Paisajes hidrológicos y balance hídrico de la cuenca Lerma Chapala, México.
Rendón, Luis. 2003. La cuenca: sistema hidrológico o curso de agua natural. IMTA. Documento electrónico.
40
Páginas Web:
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www.photaki.es. 2011. Condensación
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www.mariagdc93.blogspot.c. 2011. Escurrimiento superficial
www.mitecnologico.com. 2011. Tipo de pluviómetro
www.ucla.edu.ve. 2011. Pluviometro automático
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www.wiquipedia.org. 2011. Lisimetro
informes-unt.hostoi.com. 2011. Infiltración
www.cazalac.org/sim_lluv.php. 2011. Simuladores de lluvia
www.ocwus.us.es. 2011. Tipos de vertederos
www.fronate.pro.ec/fronate/wp-content/media/manual-de-laboratorio-dehidrologia.pdf. 2011. Aforo por flotadores
www.cuevadelcivil.com/2011/02. 2011. Aforo con trazadores químicos
41
Esta Cartilla se terminó de imprimir en el mes de
Setiembre 2012 en la imprenta IBEGRAF
Jr. Cangalllo N° 217 Int. 5
Lima-Perú
CONSEJO DIRECTIVO 2011-2012
Juan Julio Ordoñez Gálvez
Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología del Perú—SENAMHI
Karen Kraft
Asociación Especializada para el Desarrollo Sostenible—AEDES
German Torre Villafane
Centro de Estudios Solidaridad - CESS SOLIDARIDAD
Elder Gustavo Palacios Salazar
Asociación de Empresas Prestadoras de Servicios de Saneamiento - ANEPSSA
Marco Antonio Nuñez de del Prado Coll
Autoridad Nacional del Agua - ANA
Nicole Bernex Weiss
Pontificia Universidad Católica del Perú - PUCP
Aguas abajo, estación Chosica R2, río Rímac, SENAMHI-2011.

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Transcripción

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